ES2270720A1 - Micro heat exchanger device and method using non-stationary oscillatory effects - Google Patents
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Abstract
Description
Procedimiento y aparato micro-cambiador de calor para la optimización de la transferencia de calor utilizando efectos oscilatorios no-estacionarios.Procedure and apparatus micro-heat exchanger for the optimization of the heat transfer using oscillatory effects non-stationary
La invención se encuadra en el sector técnico de los micro-sistemas (MEMS). En particular, en las aplicaciones de sistemas miniaturizados de control térmico.The invention falls within the technical sector of the micro-systems (MEMS). In particular, in applications of miniaturized thermal control systems.
El desarrollo de micro-cambiadores de calor es un campo de actividad tecnológica que se ha venido desarrollando de manera continuada desde principios de los años 90. De hecho, en la literatura especializada es posible encontrar la descripción de múltiples diseños, desarrollados unas veces a nivel conceptual y otras hasta el nivel de prototipo. En general, los micro-cambiadores de calor se utilizan en aplicaciones para los sectores aeronáutico, espacial, defensa y super-computación. El objetivo es extraer calor de forma localizada en componentes cuya alta tasa de disipación térmica impide utilizar técnicas convencionales de control térmico. Por ejemplo, los tamaños típicos de estos micro-intercambiadores son del orden de 1 centímetro cuadrado con micro-canales cuyo diámetro hidráulico es del orden de las 20 micras a 1 milímetro.The development of micro-heat exchangers is a field of activity technology that has been developed continuously since the early 90s. In fact, in the literature specialized is possible to find the description of multiple designs, sometimes developed at a conceptual level and sometimes even the prototype level In general, the micro-heat exchangers are used in applications for the aeronautical, space, defense and super-computing The goal is to extract heat from localized form in components whose high dissipation rate thermal prevents using conventional thermal control techniques. For example, the typical sizes of these micro-exchangers are of the order of 1 centimeter square with micro-channels whose hydraulic diameter It is of the order of 20 microns to 1 millimeter.
El concepto más conocido de micro-cambiador de calor es el de canales rectos, paralelos, de sección cuadrada, que están micro-fresados en un sustrato altamente conductor del calor. Otros conceptos típicos son canales que se cruzan espacialmente dentro del sustrato, canales cuya sección tiene forma de paralelepípedo, canales espirales, etc.The best known concept of micro-heat exchanger is that of straight channels, parallel, square section, which are micro-milled in a highly conductive substrate of heat. Other typical concepts are channels that cross spatially within the substrate, channels whose section is shaped of parallelepiped, spiral channels, etc.
A veces, para aumentar la transferencia de calor, en los micro-canales se mecanizan protuberancias que alteran la topología del campo fluido. Estas protuberancias, de las que se han ensayado formas bastante distintas, consiguen el efecto de aumentar el coeficiente global de transferencia de calor aunque, en general, a costa de complicar y encarecer el diseño.Sometimes, to increase the transfer of heat, in the micro-channels they are mechanized protuberances that alter the topology of the fluid field. These bumps, of which quite a few ways have been tested different, get the effect of increasing the overall coefficient of heat transfer although, in general, at the cost of complicating and Make the design more expensive.
Un ejemplo de patente reciente en el campo de los micro-cambiadores de calor es la patente alemana:An example of a recent patent in the field of The micro-heat exchangers is the patent German:
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- DE10339972-A1: "Microfluidic component used as a micro heat exchanger in fuel cell system comprises two flat metallic components connected together in a gas tight manner using laser welding and having structures for guiding fluids" (DAIMLERCHRYSLER AG, 2005).DE10339972-A1: "Microfluidic component used as a micro heat exchanger in fuel cell system comprises two flat metallic components connected together in a gas tight manner using laser welding and having structures for guiding fluids "(DAIMLERCHRYSLER AG, 2005).
Esta patente DE 10339972-A1 se parece a la invención propuesta en que el intercambio de calor se produce en micro-canales que guían el fluido de intercambio. Sin embargo, la diferencia entre ambas es que en nuestro caso el movimiento del fluido es oscilatorio para así incrementar la transferencia de calor, mientras que en el caso de la patente alemana el movimiento es estacionario. Además, nuestros micro-canales contienen expansiones bruscas de sección mientras que estos son de sección constante en dicha patente alemana.This patent DE 10339972-A1 is it looks like the proposed invention in which heat exchange is produces in micro-channels that guide the fluid of exchange. However, the difference between the two is that in our case the movement of the fluid is oscillatory so increase heat transfer while in the case of The German patent movement is stationary. In addition, our micro-channels contain sudden expansions of section while these are of constant section in said patent German
La presente invención consiste en un procedimiento y aparato para mejorar la transferencia de calor en micro-cambiadores mediante la generación de efectos no estacionarios en micro-canales caracterizados por tener una geometría con expansiones bruscas.The present invention consists of a procedure and apparatus for improving heat transfer in micro-changers by generating effects non-stationary in micro-channels characterized by have a geometry with sharp expansions.
El procedimiento consiste en hacer pasar un fluido de trabajo en condiciones prescritas por un primer micro-canal que desemboca en un segundo micro-canal de sección mayor que el primero mediante una expansión brusca, típicamente en forma de escalón.The procedure involves passing a working fluid under conditions prescribed by a first micro-channel that flows into a second micro-channel section larger than the first by an abrupt expansion, typically in the form of a step.
Dependiendo del grado de desalineamiento entre
los ejes de los dos micro-canales y de la forma y
el tamaño de la sección de estos, la expansión puede tener forma de
un escalón, dos escalones, o de una combinación de
ambos.Depending on the degree of misalignment between the axes of the two micro-channels and the shape and size of the section of these, the expansion may be in the form of a step, two steps, or a combination of
both of them.
En cuanto a las condiciones del flujo a la entrada del primer micro-canal, tanto el caudal como el gradiente de presión no se mantienen estacionarios sino que se hacen oscilar de una manera predeterminada.As for the conditions of the flow to the input of the first micro-channel, both the flow as the pressure gradient does not remain stationary but they swing in a predetermined way.
Esta oscilación prescrita de las variables fluido-dinámicas a la entrada del primer micro-canal induce un comportamiento no estacionario en el campo fluido cuyo efecto es cambiar la topología local del flujo en el segundo micro-canal. El cambio en la topología se ve amplificado por el efecto de la expansión brusca del fluido. Estos cambios topológicos dan lugar a un aumento de la transferencia de calor entre el fluido de trabajo y las paredes del segundo micro-canal.This prescribed oscillation of the variables fluid-dynamics at the entrance of the first micro-channel induces non-stationary behavior in the fluid field whose effect is to change the local topology of the flow in the second micro-channel. The change in topology is amplified by the effect of abrupt expansion of the fluid. These topological changes lead to an increase in heat transfer between the working fluid and the walls of the second micro-channel
Las condiciones de operación son las referidas al rango de los siguientes seis parámetros:The operating conditions are those referred to the range of the following six parameters:
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- 1)one)
- Número de Reynolds, definido como el producto de la velocidad del fluido a la entrada del conducto multiplicado por el diámetro hidráulico del primer micro-canal y dividido por la viscosidad cinemática del fluido.Reynolds number, defined as the product of fluid velocity at the inlet of the duct multiplied by the hydraulic diameter of the first micro-channel and divided by kinematic viscosity of the fluid.
- 2)2)
- Número de Prandtl, definido como el cociente entre la viscosidad cinemática y la difusividad térmica del fluido.Prandtl number, defined as the quotient between kinematic viscosity and thermal diffusivity of the fluid.
- 3)3)
- Frecuencia de la oscilación de la velocidad a la entrada del primer micro-canal.Frequency of the oscillation of the first entry speed micro-channel
- 4)4)
- Tamaño de la oscilación de la velocidad a la entrada del primer micro-canal.Speed swing size at the entrance of the first micro-channel.
- 5)5)
- Frecuencia de la oscilación de presión a la entrada del primer micro-canal.Frequency of pressure oscillation at the entrance of the first micro-channel.
- 6)6)
- Tamaño de la oscilación de presión a la entrada del primer micro-canal.Size of the pressure swing at First micro-channel input.
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En particular, el rango de operación de los parámetros que gobiernan el procedimiento es:In particular, the operating range of the Parameters that govern the procedure are:
- 1)one)
- El número de Reynolds está en el rango de 0.1 a 1000000.He Reynolds number is in the range of 0.1 to 1000000.
- 2)2)
- El rango del número de Prandtl es el correspondiente al fluido de trabajo concreto que se considere.He Prandtl number range is corresponding to the fluid of concrete work that is considered.
- 3)3)
- El argumento del armónico de la oscilación de la velocidad se define como 2 veces pi multiplicado por la frecuencia adimensional y por el tiempo adimensional. El tiempo se adimensionaliza con la velocidad del fluido a la entrada del primer micro-canal y su diámetro hidráulico. La frecuencia adimensional está en el rango de 0.01 a 100.He harmonic argument of the velocity oscillation is defined as 2 times pi multiplied by the dimensionless frequency and by the dimensionless time. Time is dimensioned with speed of the fluid at the entrance of the first micro-channel and its hydraulic diameter The dimensionless frequency is in the range of 0.01 to 100.
- 4)4)
- El valor de la velocidad de entrada del fluido en el primer micro-canal oscila alrededor del valor medio correspondiente al número de Reynolds que se haya especificado (en el rango de 0.1 a 1000000). El rango máximo del tamaño de la oscilación de velocidad oscila entre 0 y el doble del valor medio. Esto es: el rango paramétrico garantiza que el flujo siempre entra en el micro-canal y nunca se da la vuelta.He value of the fluid inlet velocity in the first micro-channel oscillates around the average value corresponding to the Reynolds number specified (in the range of 0.1 to 1000000). The maximum size range of the Speed oscillation ranges from 0 to double the average value. This is: the parametric range guarantees that the flow always enters in the micro-channel and never turns around.
- 5)5)
- La frecuencia adimensional de oscilación de la presión a la entrada del primer micro-canal es igual a la frecuencia de oscilación de la velocidad en el mismo punto (que está en el rango de 0.01 a 100).The dimensionless frequency of pressure oscillation at the inlet of first micro-channel is equal to the frequency of speed swing at the same point (which is in the range from 0.01 to 100).
- 6)6)
- El tamaño de la oscilación de presión a la entrada del primer micro-canal es tal que garantiza que no existe inversión de flujo. Esto es, la velocidad del fluido siempre es hacia el interior del micro-canal y nunca se da la vuelta.He size of the pressure swing at the inlet of the first micro-channel is such that it guarantees that there is no flow inversion. That is, the fluid velocity is always into the micro-channel and never the return.
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Para hacer funcionar el procedimiento, la selección de cada conjunto posible de cinco parámetros de operación no puede hacerse eligiendo cada uno de los parámetros de manera independiente:To make the procedure work, the selection of each possible set of five operating parameters cannot be done by choosing each of the parameters so Independent:
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- En el caso de micro-canales aproximadamente bidimensionales, la forma apropiada de seleccionar de manera consistente el valor concreto del tamaño de las oscilaciones y de las frecuencias es utilizar la formulación no estacionaria del flujo de Poiseuille que se puede consultar en cualquier texto convencional de Mecánica de Fluidos. Por ejemplo, puede consultarse: Ronald L. Panton, "Incompresible Flow", John Wiley and Sons, 1984, capítulo 11.5, página 279 o, también, L. Gary. Leal, "Laminar Flow and Convective Transport Processes", Buttweworth-Heinemann, 1992, capítulo 3-F, página 105.In the case of approximately two-dimensional micro-channels, the appropriate way to consistently select the value concrete of the size of the oscillations and of the frequencies is use the non-stationary formulation of the Poiseuille flow that it can be consulted in any conventional text of Mechanics of Fluids For example, it can be consulted: Ronald L. Panton, "Incompressible Flow", John Wiley and Sons, 1984, chapter 11.5, page 279 or, also, L. Gary. Loyal, "Laminar Flow and Convective Transport Processes ", Buttweworth-Heinemann, 1992, chapter 3-F, page 105.
- \sqbullet\ sqbullet
- Si los efectos tridimensionales son importantes o el flujo no es laminar, la selección conjunta de los parámetros de la oscilación en la sección de entrada debe realizarse mediante una simulación numérica del campo fluido en esa zona.Yes the effects three-dimensional are important or the flow is not laminar, the joint selection of the oscillation parameters in the section input must be performed using a numerical simulation of the fluid field in that area.
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El aparato concebido para la puesta en práctica del procedimiento consiste en:The device designed for implementation The procedure consists of:
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- Una micro-bomba accionada por un motor eléctrico. Este componente no forma parte de la invención. Las características de operación del motor eléctrico se eligen de manera que el caudal que da la micro-bomba y el gradiente de presión que genera coincidan con los prescritos en el procedimiento.A micro-pump driven by an electric motor. This component is not part of the invention. The characteristics of electric motor operation are chosen so that the flow rate that gives the micro-pump and the pressure gradient that generates match those prescribed in the procedure.
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- Un sistema formado por un cuerpo móvil situado inmediatamente aguas debajo de la micro-bomba cuya oscilación genera depresiones adicionales en el fluido en caso de que se quiera modificar aún más el ardiente de presión proporcionado por la micro-bomba. Este componente no forma parte de la invención.A system formed by a mobile body located immediately downstream of the micro-pump whose oscillation generates depressions additional in the fluid in case you want to modify even more the burning pressure provided by the micro-pump This component is not part of the invention.
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- Un primer micro-canal que puede tener cualquier tipo de sección.A first micro-channel that can have any kind of section.
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- Un segundo micro-canal cuya sección es mayor que la del primero.One second micro-channel whose section is larger than the First.
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- La conexión de los dos micro-canales se realiza mediante una expansión brusca en forma de escalón, de doble escalón, o de combinación entre ambas.The connection of the two micro-channels is done through an expansion abrupt step-shaped, double-step, or combination between both.
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- Un fluido de trabajo que puede ser líquido o gas.A working fluid that can Be liquid or gas.
Con la selección de las variables fluido-dinámicas a la entrada del primer micro-canal descrita en el rango de operación del procedimiento, el fluido se expande en el segundo micro-canal. La no-estacionaridad inducida de manera controlada en la entrada, junto con el efecto de la expansión brusca, afecta a la topología del campo fluido y se produce una mejora en el coeficiente de transferencia de calor entre el fluido y las paredes del segundo micro-canal. El aparato puede utilizarse como calentador o como refrigerador.With the selection of the variables fluid-dynamics at the entrance of the first micro-channel described in the operating range of the procedure, the fluid expands in the second micro-channel Non-stationarity Controlled induced input, along with the effect of abrupt expansion affects the topology of the fluid field and it produces an improvement in the heat transfer coefficient between the fluid and the walls of the second micro-channel The device can be used as heater or as refrigerator.
La presente invención se ilustra adicionalmente mediante el siguiente ejemplo, que no es limitativo de su alcance. En particular, se ha elegido el ejemplo de un micro-cambiador de calor de bajo caudal cuyo régimen de funcionamiento es laminar.The present invention is further illustrated. by the following example, which is not limiting of its scope. In particular, the example of a low flow micro-heat exchanger whose regime Operating is laminar.
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- Micro-canal 1: sección rectangular, altura 0.5 mm, anchura 10.0 mm, longitud, 10.0 mmMicro-channel 1: rectangular section, height 0.5 mm, width 10.0 mm, length, 10.0 mm
- \sqbullet\ sqbullet
- Diámetro hidráulico del micro-canal 1: 0.95 mmHydraulic Diameter of micro-channel 1: 0.95 mm
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- Micro-canal 2: sección rectangular, altura 1.0 mm, anchura 10.0 mm, longitud 5.0 mm.Micro-channel 2: rectangular section, height 1.0 mm, width 10.0 mm, length 5.0 mm
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- La pared superior de ambos micro-canales está alineada por lo que al ser de distinta altura, en su unión se forma un único escalón de 0.5 mm de alto.The upper wall of both micro-channels is aligned so being different height, in its union a single step of 0.5 mm of tall.
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- Fluido de trabajo: aguaWorkflow: Water
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- Número de Reynolds medio: 200Average Reynolds Number: 200
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- Número de Prandtl: 2.29Prandtl Number: 2.29
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- Velocidad media del fluido a la entrada del micro-canal 1: 0.075 m/segAverage fluid velocity a the input of micro-channel 1: 0.075 m / sec
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- Frecuencia adimensional de la oscilación de velocidad: 0.4Dimensional frequency of the swing speed: 0.4
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- Frecuencia dimensional de la oscilación de velocidad: 30 ciclos/segDimensional frequency of the speed swing: 30 cycles / sec
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- Velocidad mínima del fluido a la entrada del micro-canal 1 durante la oscilación: 0.049 m/segMinimum fluid velocity a The input of micro-channel 1 during oscillation: 0.049 m / sec
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- Caudal medio del micro-cambiador: 1.35 litros/minutoAverage flow of micro-changer: 1.35 liters / minute
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- Gradiente medio de presión ala entrada del micro-canal 1: 1751 Pa/mAverage pressure gradient wing micro-channel input 1: 1751 Pa / m
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- Gradiente mínimo de presión ala entrada del micro-canal 1: 12080 Pa/m.Minimum pressure gradient Wing input of micro-channel 1: 12080 Pa / m.
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- Temperatura del agua a la entrada del micro-canal 1: 90ºCWater temperature at input of micro-channel 1: 90 ° C
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- Paredes del micro-canal 1: aisladasWalls of micro-channel 1: isolated
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- Temperatura de pared del micro-canal 2: 45ºCWall temperature micro-channel 2: 45 ° C
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- Área de intercambio térmico en el micro-canal 2: 1 cm^{2}.Thermal exchange area in the micro-channel 2: 1 cm2.
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- \sqbullet\ sqbullet
- Flujo de calor intercambiado con la paredes del micro-canal 2 cuando hay oscilación: 13.6 WHeat flux exchanged with the walls of micro-channel 2 when there swing: 13.6 W
- \sqbullet\ sqbullet
- Flujo de calor intercambiado con las paredes del micro-canal 2 si no hubiera oscilación: 7.2 WHeat flux exchanged with the walls of micro-channel 2 if there were no swing: 7.2 W
- \sqbullet\ sqbullet
- Flujo de calor que intercambiaría el micro-canal 2 si no existiera escalón, el caudal y los demás parámetros fluidos y térmicos fueran los mismos que en los dos casos anteriores, y no hubiese oscilación (esto es: en el caso de un micro-cambiador recto normal): 8.0 WHeat flow that would exchange micro-channel 2 if it did not exist step, flow and other fluid and thermal parameters were the same as in the previous two cases, and there was no oscillation (that is: in the case of a straight micro-changer normal): 8.0 W
- \sqbullet\ sqbullet
- Mejora en la eficiencia térmica del sistema: 70%.Efficiency improvement System thermal: 70%.
Claims (4)
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- Un primer micro-canal de sección circular o poligonal regular o irregular de cualquier número de lados cuya misión es conducir el fluido de trabajo desde la salida de la micro-bomba hasta la entrada del segundo micro-canalA first micro-channel of circular or polygonal section regular or irregular from any number of sides whose mission is conduct the working fluid from the exit of the micro-pump until the second input micro-channel
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- Un segundo micro-canal de sección circular o poligonal regular o irregular de cualquier número de lados, cuya sección es mayor que la del primer micro-canal, y que está unido a dicho primer micro-canal mediante una expansión brusca en forma de un escalón o dos escalones, cuya misión es servir de cambiador de calor permitiendo la transferencia de calor entre el fluido y las paredes del propio micro-canal.A second micro-channel of circular or polygonal section regular or irregular of any number of sides, whose section is greater than that of the first micro-channel, and that is attached to said first micro-channel by a abrupt expansion in the form of a step or two steps, whose mission is to serve as a heat exchanger allowing transfer of heat between the fluid and the walls of the own micro-channel
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- Preparación de un fluido de trabajo que puede ser líquido o gas cuyo número de Reynolds basado en la velocidad del fluido a la entrada y en el diámetro hidráulico del primer micro-canal por que se le hace circular está en el rango de 0.1 a 1000000Preparation of a working fluid that it can be liquid or gas whose Reynolds number based on the fluid velocity at the inlet and in the hydraulic diameter of the first micro-channel through which it is circulated is in the range of 0.1 to 1000000
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- Inyección del fluido de trabajo en el primer micro-canal haciendo oscilar tanto la velocidad de inyección como el gradiente de presiones a la entrada de dicho micro-canal, siendo el valor de la frecuencia adimensional de oscilación de la presión y la velocidad en el rango de 0,01 a 100, en donde el tiempo se adimensionaliza con la velocidad del fluido a la entrada del primer microcanal y su diámetro hidráulico y el argumento del armónico de la oscilación se define como dos veces el número pi multiplicado por la frecuencia adimensional y el tiempo adimensionalInjection of the working fluid in the first micro-channel swinging the injection speed as the pressure gradient at the input of said micro-channel, the value of the dimensionless frequency of pressure and velocity oscillation in the range of 0.01 to 100, where time is dimensioned with the speed of the fluid at the entrance of the first microchannel and its hydraulic diameter and the harmonic argument of the oscillation is define as twice the number pi multiplied by the frequency dimensionless and dimensionless time
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- Paso del fluido de trabajo, mediante una expansión brusca en forma de un escalón o dos escalones desde el primer micro-canal al segundo micro-canalHe passed of the working fluid, by means of an abrupt expansion in the form of a step or two steps from the first micro-channel to the second micro-channel
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- Generación de una topología no estacionaria en el campo fluido situado en el interior del segundo micro-canal como consecuencia de la oscilación inducida en la entrada del primer micro-canal y de la expansión brusca situada en la zona de conexión entre los dos micro-canalesGeneration of a topology no stationary in the fluid field located inside the second micro-channel as a result of the oscillation induced at the input of the first micro-channel and of the sharp expansion located in the connection zone between the two micro-channels
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- Transferencia de calor entre el fluido de trabajo y las paredes del segundo micro-canal.Heat transfer between fluid working and the walls of the second micro-channel
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- Control térmico de sistemas aeronáuticos, espaciales y de defensaThermal control of systems aeronautical, space and defense
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- Control térmico de sistemas de transporteThermal control of systems transport
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- Control térmico de computadores y supercomputadoresThermal control of computers and supercomputers
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- Control térmico de sistemas electrónicosThermal control of systems electronic
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- Control térmico de las aplicaciones de las ciencias biológicas y de la saludThermal control of applications the biological and health sciences
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- Control térmico de tecnologías de generación y distribución de energíaThermal control of technologies power generation and distribution
- --
- Control térmico de bienes de equipo.Thermal control of goods of team.
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Non-Patent Citations (6)
Title |
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BAU, HAIM H., "Optimization of Conduits¦ Shape in Micro Heat Exchangers", International Journal of Heat and Mass Transfer, 1 Septiembre 1998, vol. 41, nº 18, páginas 2717-2723, ISSN 017-9310. * |
BAU, HAIM H., "Optimization of Conduitsª Shape in Micro Heat Exchangers", International Journal of Heat and Mass Transfer, 1 Septiembre 1998, vol. 41, n‘ 18, pßginas 2717-2723, ISSN 017-9310. * |
SERT, CUNEYT y BESKOK, ALI, "Oscillatory Flow Forced Convection in Micro Heat Spreaders", Numerical Heat Transfer, 15 Noviembre 2002, Part A: Applications, vol. 42, n‘ 7, pßginas 685-705, ISSN 1040-7782. * |
SERT, CUNEYT y BESKOK, ALI, "Oscillatory Flow Forced Convection in Micro Heat Spreaders", Numerical Heat Transfer, 15 Noviembre 2002, Part A: Applications, vol. 42, nº 7, páginas 685-705, ISSN 1040-7782. * |
SERT, CUNEYT y BESKOK, ALI, "Shear Layer Instability and Mixing in Micro Heat Spreaders", ASME Journal of Heat Transfer, Agosto 2001, vol. 123, n‘ 4, pßgina 621, ISSN 0022-1481. * |
SERT, CUNEYT y BESKOK, ALI, "Shear Layer Instability and Mixing in Micro Heat Spreaders", ASME Journal of Heat Transfer, Agosto 2001, vol. 123, nº 4, página 621, ISSN 0022-1481. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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ES2270720B2 (en) | 2008-01-16 |
WO2007023200A2 (en) | 2007-03-01 |
WO2007023200A3 (en) | 2007-05-10 |
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